两次主要的陨石撞击揭示了火星内部

在苏黎世联邦理工学院地震服务部门工作的研究人员一直在分析美国宇航局洞察号任务的地震仪在我们邻近的一颗行星上所做的测量。

近三年来，它在火星上探测到的唯一地震波是从各自地震的焦点或震源传播到地球深处的地震波。然而，研究人员一直希望有一个事件也能产生沿行星表面传播的波。他们的等待终于在2021年12月24日得到回报，当时陨石撞击火星产生了他们期待已久的表面波类型。

地震读数中的非典型特征使研究人员怀疑其震源位于地表附近，因此他们联系了正在使用绕火星运行的探测器的同事。事实上，火星勘测轨道器在2021年12月下旬拍摄的图像显示，距离洞察号约3,500公里处有一个大型撞击坑。

苏黎世联邦理工学院地球物理研究所的地球物理学家和高级研究科学家DoyeonKim说：“这个位置与我们对地震源的估计非常吻合。”Kim是一项刚刚发表在《科学》杂志上的研究的主要作者。研究人员还能够确定距离InSight不到7,500公里(约5,000英里)的陨石撞击是第二次非典型地震的源头。

因为每次地震的震源都在地表，它们不仅会产生类似于先前记录的震源深度更大的地震的体波，而且还会产生沿着行星表面传播的波。“这是第一次在地球以外的行星上观测到地震表面波。即使是阿波罗登月任务也无法做到，”金说。

使地震表面波对研究人员如此重要的原因在于它们提供了有关火星地壳结构的信息。在地震期间穿过行星内部的地震体波迄今为止提供了对火星核心和地幔的洞察，但几乎没有揭示远离着陆器本身的地壳。

出人意料的结果

“到目前为止，我们对火星地壳的了解仅基于InSight着陆器下的单点测量，”Kim解释说。表面波分析的结果让他吃惊。平均而言，撞击地点和洞察号地震仪之间的火星地壳具有非常均匀的结构和高密度。然而，在着陆器正下方，研究人员此前曾检测到三层地壳，这意味着较低的密度。

新发现非常引人注目，因为行星的地壳提供了关于该行星如何形成和演化的重要线索。由于地壳本身是地幔早期动态过程和随后的岩浆过程的结果，它可以告诉我们数十亿年前的条件和撞击的时间线，这在火星早期尤为常见。

Kim解释了如何进行新测量：“表面波传播的速度取决于它们的频率，而频率又取决于它们的深度。”通过测量地震数据中不同频率的速度变化，可以推断出不同深度的速度如何变化，因为每个频率对不同的深度敏感。这为估计岩石的平均密度提供了基础，因为地震速度还取决于波传播的材料的弹性特性。这些数据使研究人员能够确定火星表面以下大约5到30公里深处的地壳结构。

解释了更大的地震速度

那么，为什么最近观测到的表面波的平均速度远高于基于火星洞察号着陆器下早期点测量的预期?这主要是由于地表岩石，还是其他机制在起作用?一般来说，火山岩往往比沉积岩表现出更高的地震速度。此外，两次陨石撞击和测量地点之间的路径穿过火星北半球最大的火山区之一。

熔岩流和火山过程产生的热量使孔隙空间闭合，可以增加地震波的速度。“另一方面，洞察号着陆点下方的地壳结构可能是以一种独特的方式形成的，也许是在超过30亿年前的一次大型陨石撞击中喷射出的物质。这意味着着陆器下方的地壳结构可能不能代表火星地壳的一般结构，”金解释说。

解开火星二分法之谜

这项新研究还可以帮助解决一个数百年的谜团。自从第一台望远镜瞄准火星以来，人们就知道火星的南半球和北半球之间存在着鲜明的对比。虽然南半球的主要特征是被陨石坑覆盖的高原，但北半球主要由平坦的火山低地组成，在地球的早期历史中可能被海洋覆盖。这种分为南部高地和北部低地的划分称为火星二分法。

苏黎世联邦理工学院地震学和地球动力学教授DomenicoGiardini说：“就目前情况而言，我们还没有一个普遍接受的对二分法的解释，因为我们从未能够看到地球的深层结构。”“但现在我们开始发现这一点。”最初的结果似乎反驳了火星二分法的一种普遍理论：北部和南部的地壳可能不是由通常假设的不同材料组成，并且它们的结构在相关深度可能惊人地相似。

漫长的等待浪潮

苏黎世联邦理工学院的研究人员预计很快会有进一步的结果。2022年5月，洞察号观测到了迄今为​​止最大的地震，震级为5。它还记录了这次浅层事件产生的地震表面波。这发生的很及时，因为着陆器的太阳能电池板被灰尘覆盖，并且电力耗尽，洞察号任务很快就会结束。对数据的初步分析证实了研究人员从其他两个陨石撞击中获得的发现。

“这太疯狂了。我们一直在等待这些海浪，而现在，在陨石撞击几个月后，我们观察到了这次大地震，它产生了极其丰富的表面波。这些让我们能够更深入地看到地壳，以深度约为90公里，”Kim说。